facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГИСТРАЦИИ ИНФОРМАЦИИ НА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СТАТИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЯХ

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГИСТРАЦИИ ИНФОРМАЦИИ НА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СТАТИЧЕСКИХ НАКОПИТЕЛЯХ
Yevgeniy Travnikov, гранд-конструктор впк ссср, кандидат технических наук, доцент

Розоринов Г.Н., доктор технических наук, профессор

Крючкова Л.П., кандидат технических наук, доцент

Государственный Университет Телекоммуникаций, Украина

Участник конференции

В статье рассматриваются вопросы применения твердотельного носителя информации в технике регистрации информации, история и перспективы дальнейшего применения.

Ключевые слова: Ферромагнитная регистрация и полупроводниковая на приборах зарядовой связи.

The article discusses the use of a solid state storage device in the technique of recording information, history and prospects for further use.

Keywords: Ferromagnitкal registration and charge-coupled devices on semiconductor.

 

Твердотельной ферромагнитной регистрацией мы начали,
А приборами зарядовой связи революцией путь обозначили
ЕНИТ, ХХ1 век

 

Твердотельная регистрация информации относится к статическим способам записи-воспроизведения, когда отсутствует движущий механизм, перемещающий носитель информации. Исторически сложилось, что первым носителем информации был твердотельный ферритовый сердечник с обмоткой на нем (рис.1.). Это часто называют ферритовой памятью - запоминающее устройство, хранящее информацию в виде направления намагниченности небольших ферритовых сердечниках (кольцевой или прямоугольной формы). Ферритовые сердечники расставлялись в прямоугольную матрицу и через каждый проходило в зависимости от конструкции запоминающего устройства, от двух до четырех проводов (тонких медных изолированных проводников) для считывания и записи информации. Память на магнитных сердечниках была основным типом компьютерной памяти от 1950г. до средины 1970-х годов, хотя и в настоящее время ещё применяется в устройствах спецтехники регистрации информации.

Рис. 1 Ферритовая запись-воспроизведение информации

Сейчас очень широкое применение в технике регистрации информации находит твердотельная электронная полупроводниковая память (рис.2), основанная на приборах зарядовой связи (ПЗС). Название ПСЗ- прибор с зарядовой связью отражает способ считывание электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу (рис.2,а).

Рис. 2. Твердотельная  электронно-полупроводниковая запись-воспроизведение информации (статистическая): а - Принцип действия ПЗС

ПСЗ устройство состоит из поликремния, отделенного от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремниевые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПСЗ матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а следовательно и находящиеся в ней электроны, в определенном направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы. Если речь идет о ПСЗ линейке, что увеличивает емкость его, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы. У матрицы, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигающего устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига. Для использования ПСЗ в качестве светочувствительного устройства (электронно оптического прибора- ЭОП, где световой сигнал преобразуется в электрический), часть электродов изготовляется прозрачной (рис. 3,г). Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 году Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в лабораториях Белла (США). С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПСЗ матриц, а в 1989 году уже применялись в 97% телекамер, а в октябре 2009 года каждому «досталось» по четверти Нобелевской премии по физике. Таким образом, впервые был создан фотоэлектрический прибор с зарядовой связью (ПСЗ).

Рис. 3. Сравнительные примеры твердотельной ферритовой (а) и памяти на ПЗС (б, в, г, д)

Для сравнения объем памяти ферромагнитных накопителей (рис.3,а) при значительных размерах доходит до 512 байт,, а полупроводниковых ПСЗ до 100-300 Гбайт (рис.3,б,в), а то и больше. Причем, когда надо увеличить объем памяти, то часто прибегают к создании линейки ПСЗ, распаивая несколько отдельных модулей на одной печатной плате (рис.3,д).Широкое применение ПСЗ находит для цифровых фотоаппаратов (рис.4,а), где устанавливаются две матрицы, одна светочувствительная сразу после оптичекого фильтра, а вторая за центральным процессором. ПСЗ для фотоаппаратов имеет прямоугольную форму с соотношением сторон 3:4 под стандартный фото пленочный кадр изображения (рис.4,в), а для широчайшего применения в планшетных сканерах имеет вытянутую прямоугольную форму (рис.4,б), что обеспечивает хороший захват стандартного листа бумаги принтера.

Рис. 4. Примеры применения ПСЗ в технике регистрации информации

Принтеры для бытового, научно-исследовательского, учебного для студентов обычно применяются планшетного типа в виде плоских прямоугольных коробок, причем следует различать сложные прецизионные конструкции системы CCD, которые имеют увеличенную высоту корпуса до 100мм при тойже площади плана и простые конструкции с малой (до 30 мм) высотой системы CIS. Первые с увеличенной высотой обеспечивают отличное сканирование объемных предметов или различных макетов, дисковых приводов, кинокамер, редукторов и др. с небольшой массой, что не даст разлома стекла сканера. Обычно при сканировании на таких сканерах обеспечивается глубина резкости до 30мм. пример такой автор приводит на рис.7в конце статьи.Сканеры системы CISобеспечивают резкость только в плоскости стекла- т.е. при снятии копий с листового (не объемного) материала. Автор статьи имеет профессиональный сканер системы CCDфирмы HP-4800 с разрешением 9600х4800 dpi. и часто использует его в творческой работе, в том числе и по статьям в Ваш журнал МАНВО. Есть ещё очень широкое применение твердотельной памяти- ПСЗ-флеш. Флеш – память (англ. Flashmemory)- разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM)/ Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решений постоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации. Благодаря компактности, дешеизне, механической прочности, большому объему, скорости работы и низкому энергопотреблению, флэш –память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации. А такой фактор, что она является легкосъемной и просто соединяется с ПК, ноутбуками, принтерами и другими устройствами информации, делают её незаменимой в применении- сравним дисковые носители информации- вне конкуренции. Недостатком данной технологии является ограниченный срок эксплуатации, а также чувствительность к электростатическому разряду. Флеш – память была изобретена японскими инженерами фирмы ToshibaФудзио Масуокой в 1984 году. Название «флэш-память» получилось от « flach» - вспышка микросхемы этого типа разработки японской фирмы Toshiba. Принцип работы кратко полупроводниковой технологии флеш- памяти основан на измене-нии и регистрации электрического заряда в изолированной области («кармане») полупроводни-ковой структуры. Изменение заряда («запись» и «стирание») производится приложением между затвором и истоком большого потенциала, чтобы напряженность электрического поля в тонком диэлектрике между каналом транзистора и карманом оказалась достаточна для возникновения туннельного эффекта. Для усиления эффекта туннелирования электронов в карман при записи применяется небольшое ускорение электронов путем пропускания тока через канал полевого транзистора. Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регулируется цепями чтения (рис.5,а,б,в). Эта Конструкция снабжена элементами, которые позволяют ей работать в большом массиве таких же ячеек. Ресурс записи- количество записей для ячейки флеш-памяти ограничено обычно до 10 тыс.раз и для некоторых- до 100 тыс. раз. Изоляция кармана не идеальна, заряд постепенно изменяется, поэтому для большинства бытовых изделий срок хранения заряда составляет 10-20 лет, что для наших работ свыше головы. Емкость флеш-памяти пока доходит до 300 Гбайт, но есть сообщение, что одна швейцарская фирма довела емкость памяти до 1 Тбайта. Конструктивные исполнения распространенной флеш-памяти приведены на рис. 5,г,д,е., а ещё примеры применения представ-лены на рис. 6,а.б.

Рис. 5. Твердотельная полупроводниковая легкосъемная память - флеш память в технике ЗВИ

Рис. 6. Бытовое применение твердотельной памяти на ПЗС:

а - бытовая видеокамера ручная; б - ключ от домофона

Рис. 6.1. Цифровые фотоаппартаы: а - не зеркальные "мыльницы", б - супер зеркальные дорогие

Примеры из практики использования сканера с высоким разрешением системы CCDдля сканирования (фотосъемки) объемных устройств техники регистрации информации представлены на рис.7.

Рис. 7. Пример фотографирования сканером НР-4800 системы CCD ручной кинокамері с большой глубиной (30мм) резкости (а), дискового механизма (б)

Примеры цифровых фотоаппаратов от простейшего до навороченного приведены на рис.8.

Рис. 8. Внешний вид цифровых фотоаппаратов: а- миниатюрных, б - средних, в - навороченных

Пример использования твердотельной памяти в мобильных телефонах приведен на структурной схеме рис.9.

Рис. 9. Структурная схема мобильного телефона

Разрабатываемые перспективные виды твердотельной памяти. Разработку новых типов памяти ведут многие крупнейшие в мире компании, такие как IBM, HP, Mitsubishi, NЕС, Toshibaи др. Наиболее перспективными направлениями считаются RAM(FRAM), MRAM. NRAMи OUM. Все они находятся на разных стадиях готовности к массовому использованию. Твердотельная память развивается очень стремительно как по направлению увеличения плотности записи, так и по повышению скорости чтения-записи. В итоге на рынке регулярно появляются всё более вместительные и скоростные «флешки», цена хранения одного мегабайта планомерно снижается. Как сообщается, что компания Samsungсделала прорыв в технологии производства новой твердотельной памяти (рис. 10,а,б), на первом представлен внешний вид , на втором- строение памяти.

Рис. 10. Новые решения твердотельной памяти

Корейская компания разработала новый тип памяти PRAM, что в дословном переводе на русский означает «память с произвольным доступом и фазовым переходом». В отличие от традиционной памяти производитель уверен, что в ближайшие несколько лет PRAMзаменит собой традиционную память NORфлешь. В отличие от которой новая память не стирает данных перед тем, как записать поверх новые. Это уже обеспе-чивает ей преимущество в скорости порядка 30 раз. Надежность и долго вечность у PRAMтоже выше- накопители на её основе могут функционировать в десять раз дольше. Ячейки имеют вдвое меньшую площадь, а число стадий в техпроцессе их производства меньше на 20%. Это обеспечит снижение себестоимости производства и отпускной цены. По крайней мере в долгострочной перспективе. Первые продукты на основе PRAMв мобильных телефонах и прочих портативных устройствах, для которых скорость работы памяти критична.

MRAM– магниторезистивная память - однокристальная полупроводниковая оперативная память, при производстве которой используются магнитный материал часто применяемый в магнитных стирающих головках и переход с магнитным туннелированием МТЛ) , Устройство памяти состоит из элементов, у каждого из которых есть два независимых входа и возможны четыре начальных состояния. Элементы MRAM– памяти содержат два раздельных промежутком магнитных слоя. Если магнитные моменты обоих слоев параллельны, электрическое сопротивление всего элемента небольшое, это отвечает состоянию «1». Если они анитипараллельны- сопротивление велико и это соответствует состоянию «0» цифровой записи. Основными достоинствами MRAMнаряду с достигнутым самым высоким быстродействием являются практически неограниченное число допускаемых циклов сохранения записи/считывания (например традиционные флэш-накопители имеют ограничения в этом плане) и сохранение записей при отключении питания. В последние годы компании Toshibaи NEC, разрабатывающие MRAM, сообщили, что им удалось создать новое изделие, в котором объединены максимальная плотность и наилучшие скоростные показатели операций чтения и записи, даже опередив таких гигантов как IBM. Предполагается, что MRAMв перспективе могут заменить не только современные устройства оперативной памяти, но и жесткие магнитные диски (винчестеры) в результате чего общая архитектура ПК существенно может упроститься.

Выводы.

  1. Твердотельная регистрация информации на полупроводниковых накопителях сделала несомненно революцию в жизни общества.
  2. Начав твердотельную статическую регистрацию информации с ферромагнитной технологии, человечество оставило ей где-то небольшое место, а пошло по пути очень прогрессивной технологии ПСЗ, которая всех покорила своей простотой, колоссальным объемом и низкой ценой.
  3. Когда мы уже дойдем повсеместно практически до емкости 1 Тбайт, то можно сказать, что не напрасно живем и трудимся каждый в своем любимом направлении и достойно оплачиваемом.
  4. Появление новых технологий в технике регистрации информации на твердотельных накопителях типа PRAM, MRAMи других даст ещё много преимуществ их использования в повседневной жизни нашего общества и человечества в целом.

 

Литература:

  1. А.Ф. Пешков. Современные фотоаппараты. БХВ- Петербург. Арлит.2004г.
  2. Марин Милчев. Цифровые фотоаппараты. Питер. 2004 г.
  3. О.С. Степаненко. Сканеры и сканирование. Диалектика. Млсвка.Санкт-Петербург-Киев.,2005 г.
  4. Николай Надеждин. Цифровая фотография.,БХВ- Петербург. 2003г.
  5. Е.Н.Травников, А.Г. Власюк и др. Системи та пристрої реєстраціі інформаціі. К. «Кафедра-2013г».
  6. Флеш-пам'ять. Википедия. Интернет 2013 г.
  7. Когда деревья были большими, а объемы памяти- маленькими: о ферритовой памяти. Хабра-хабр .Интернет.
  8. ПЗС- Википедия. Интернет.
  9. Компьютерная память- Википедия. Интернет. 20:45. 23.06.2013г.
Комментарии: 4

Lil wane

Очень интересная тема и отлично изложенный материал.Спасибо.

Michail Ivanov

Действительно отличный доклад.

Mikovsky Anton

Я поражен что в наше время делают действительно отличные и современные доклады. Не жалею потраченного времени, большое спасибо автору за техническую науку. С уважением, Anton Mikovsky.

Азмаипарашвили Майя Отариевна

Работа очень актуальная своевременная и заслуживает положительной оценки. Ваши версии в этом направлении представляют определенный интерес. Представленный материал является хорошим подспорьем для специалистов. Желаю дальнейших успехов. Maia Azmaiparashvili
Комментарии: 4

Lil wane

Очень интересная тема и отлично изложенный материал.Спасибо.

Michail Ivanov

Действительно отличный доклад.

Mikovsky Anton

Я поражен что в наше время делают действительно отличные и современные доклады. Не жалею потраченного времени, большое спасибо автору за техническую науку. С уважением, Anton Mikovsky.

Азмаипарашвили Майя Отариевна

Работа очень актуальная своевременная и заслуживает положительной оценки. Ваши версии в этом направлении представляют определенный интерес. Представленный материал является хорошим подспорьем для специалистов. Желаю дальнейших успехов. Maia Azmaiparashvili
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.